Desde RC hasta Relojes Atómicos: Todas las Fuentes de Reloj

En casi todos los circuitos modernos, especialmente cuando se involucra circuitos digitales, encontrarás algún tipo de fuente de reloj. Todas las fuentes de reloj presentan una serie de compromisos en cuanto a estabilidad, fiabilidad, tamaño, consumo de energía y costo.

Afortunadamente para nosotros, tales compromisos son relativamente simples y pueden ser explicados casi completamente en este único artículo. Discutiremos los pros y contras de cada fuente de reloj, desde el RC en un oscilador alimentado por 555, hasta un reloj atómico de Maser de Hidrógeno.

¡Empecemos!

Fuentes de Relajación y Retardo

Relajación RC

Los osciladores de relajación están compuestos por un dispositivo de conmutación (usualmente BJTs, JFETs, Mosfets o puertas digitales) y un capacitor para almacenar carga. El capacitor se carga hasta un nivel de voltaje definido, luego el estado del dispositivo cambia y el capacitor se descarga. El circuito oscila entre el estado de carga y descarga.

Los osciladores de relajación no producen señales sinusoidales. En cambio, producen señales de diente de sierra y ondas cuadradas.

Un ejemplo típico del oscilador de relajación RC es el famoso NE555. Los parámetros para este tipo de oscilador se pueden encontrar a continuación.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-2 a 10^-3
Sintonizabilidad	más de 10:1
Rango de frecuencia	Hz a decenas de Mhz
Costo	Extremadamente bajo

 

Osciladores de Retardo y Desfase de Fase

 

El requisito para hacer oscilar un circuito analógico es un desfase de 180 grados a ganancia unitaria en un bucle de retroalimentación. Una serie de elementos RC pueden desplazar la fase de una señal al desfase necesario de 180 grados para lograr la oscilación.

Puedes obtener el mismo efecto con cualquier dispositivo que proporcione un retraso adecuado en la señal, por ejemplo, un montón de puertas NOT en serie o un carrete de cable que sea lo suficientemente largo para hacer el trabajo.

Los osciladores de retardo generalmente tienen una estabilidad inferior en comparación con otros tipos de osciladores, tanto es así que los fabricantes de semiconductores los utilizan para probar obleas, ya que su rendimiento depende mucho de la temperatura.

A menudo, las puertas NOT conectadas en serie son tan inestables que puedes usar las fluctuaciones de frecuencia del oscilador como un generador de números aleatorios verdaderos.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-2 a 10^-3
Sintonizabilidad	10:1 o menos
Rango de frecuencia	10Mhz a cientos de Mhz
Costo	Extremadamente bajo cuando es parte de otro CI

 

Resonadores

 

Al considerar fuentes de relajación y retraso, cuanto mayor es su frecuencia nominal, más impráctico se vuelve el diseño.

Un resonador es un dispositivo o sistema que exhibe comportamiento resonante, oscilando con mayor amplitud en algunas frecuencias. En muchos tipos de resonadores, estas frecuencias tienden a ser relativamente estrechas y estables, lo que los convierte en excelentes osciladores.

Los resonadores pueden resonar debido a sus propiedades eléctricas (por ejemplo, resonadores LC), propiedades electromecánicas (por ejemplo, cerámicas, cristales y MEMS), propagación de ondas electromagnéticas o incluso propiedades atómicas para relojes atómicos.

Casi todo puede ser un resonador, desde rascacielos hasta la cavidad de tus pulmones. Si así lo deseas, podrías usar un péndulo como tu próxima fuente de reloj, pero para este artículo, limitaremos el alcance a resonadores ampliamente utilizados en la industria electrónica para generar una señal de reloj.

Resonadores LC

Los resonadores LC solían ser el tipo de osciladores más ampliamente adoptados cuando el mundo funcionaba con radios inalámbricas que operaban por debajo de unos pocos cientos de megahercios.

Consisten en algún tipo de red LC conectada a un amplificador, con el amplificador proporcionando retroalimentación positiva. Los tipos más comunes de osciladores LC son Colpitts y Hartley.

Los resonadores LC son solo modestamente sintonizables. Las radios antiguas usaban inductores variables o capacitores variables, pero si tu objetivo es ajustar la frecuencia electrónicamente, la única manera práctica es cambiar el ‘C’ en LC. El truco es usar una unión de diodo polarizada inversamente que exhiba una capacitancia de polarización inversa dependiente del voltaje.

Los diodos especialmente diseñados, llamados varactores, están sintonizados para cubrir hasta una relación de 15:1 en capacitancia. Un varactor puede transformarse en un excelente convertidor de voltaje a capacitancia colocando un capacitor en serie con él para eliminar la corriente de polarización inversa de CC.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-3 a 10^-5
Sintonizabilidad	modesta
Rango de frecuencia	Khz a 100’s Mhz
Costo	bajo

 

Cristales/XTAL

 

Los osciladores RC con componentes bien seleccionados pueden tener una estabilidad del 0.1%. Los osciladores LC se desempeñan un poco mejor, alrededor del 0.01%. Los cristales pueden hacerlo mucho, mucho mejor, como veremos en breve.

La funcionalidad de los osciladores de cristal se debe al efecto piezoeléctrico y al resultante efecto piezoeléctrico inverso. Cuando un material piezoeléctrico es estimulado mecánicamente, produce una señal eléctrica. Viceversa, una estimulación eléctrica en el mismo material generará movimientos mecánicos.

Si un material piezoeléctrico se corta en una forma apropiada y se le aplican dos electrodos, es posible crear una onda sonora estimulándolo eléctricamente. La onda sonora se propagará de ida y vuelta, generando también un voltaje. El efecto piezoeléctrico fue documentado por primera vez a mediados del siglo XVIII.

Un oscilador de cristal puede, en general, modelarse eléctricamente como una resistencia, una inductancia y un capacitor en serie, con un capacitor adicional en paralelo a la serie RLC debido a la capacitancia parásita de los contactos plateados y los terminales del componente.

Todos los cristales tienen no uno, sino dos modos resonantes: serie y paralelo.

En modo resonante en serie, C1 y L1 resuenan, y C0 no participa en el proceso. En modo resonante en paralelo, C0 y C1 resuenan juntos con L1.

Cuando uses un CI que requiera un oscilador de cristal, deberías verificar si el fabricante ha especificado para qué modo resonante está especificada la pieza, en serie o en paralelo. Sus frecuencias resonantes serán diferentes.

En modo resonante en paralelo, puedes alterar el valor de C0 colocando un segundo capacitor en paralelo. Los VCXO, o osciladores de cristal controlados por voltaje, a menudo se crean con un varactor en paralelo al cristal principal.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-5
Ajustabilidad	10^-4
Rango de frecuencia	Decenas de Khz a decenas de Mhz
Costo	medio

 

Resonadores Cerámicos (no confundir con Osciladores SAW)

 

De manera similar a los cristales, los resonadores cerámicos son dispositivos piezoeléctricos, pero en lugar de estar hechos de cuarzo, están hechos de cerámica.

Los resonadores cerámicos tienen propiedades eléctricas similares a los osciladores de cuarzo también, pero son menos precisos (típicamente con una precisión inicial de frecuencia del 0.3%) y tienen una estabilidad pobre (0.2-1% a lo largo del tiempo y la temperatura). ¿La buena noticia? ¡Son extremadamente baratos!

Los resonadores cerámicos llenan un nicho de otro modo vacío entre los osciladores de cristal y RC, y a menudo son eléctricamente compatibles con los primeros.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-5
Sintonizabilidad	10^-4
Rango de frecuencia	Decenas de Khz a decenas de Mhz
Costo	bajo-medio

TCXO

 

Los Osciladores de Cristal Compensados por Temperatura (TCXO) son una mejora sobre los cristales estándar y a menudo son necesarios cuando se necesita una frecuencia estable sobre un amplio rango de temperatura, por ejemplo, sobre rangos de temperatura industriales o automotrices, especialmente cuando se utiliza un RTC (Reloj en Tiempo Real).

Incluyen circuitos activos que compensan la desviación de temperatura de la frecuencia, generalmente utilizando el modo resonante paralelo y cambiando la capacitancia del capacitor equivalente paralelo C0 con un varactor, como se describió anteriormente.

Los modelos más sofisticados incluyen un microprocesador, circuitos analógico-digitales y una tabla de búsqueda, y pueden presentar hasta 1ppm de desplazamiento de frecuencia a lo largo de diez años.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-6 a 10^-7
Sintonizabilidad	10^-4
Rango de frecuencia	Decenas de Khz a decenas de Mhz
Costo	medio

 

OCXO

 

Osciladores de Cristal Controlados por Horno (OCXO), pueden lograr la estabilidad de frecuencia más alta posible con un oscilador de cristal, de hecho, la estabilidad de frecuencia más alta posible sin recurrir a fuentes atómicas de una forma u otra.

En un OCXO, un tipo particular de cristal que presenta un coeficiente de temperatura nulo a una temperatura específica, generalmente entre 80 y 90 grados celsius, se mantiene calentado por un horno controlado electrónicamente. De esta manera, el coeficiente de temperatura se anula de dos maneras diferentes: estabilizando la temperatura tanto como sea posible y operando en un régimen donde es cero en primer lugar.

OCXO, especialmente los más grandes que pueden permitir un poco más de aislamiento térmico, son tan buenos corrigiendo las desviaciones de temperatura que el error primario restante es el envejecimiento del cristal. Algunos OCXO incluso incorporan un microcomputador para compensar el envejecimiento utilizando algoritmos sofisticados; sin embargo, siempre estarán sujetos a desviaciones debido a choques mecánicos y otros estímulos físicos impredecibles.

La desventaja de usar OCXOs es el alto costo y el elevado consumo de temperatura debido al calentador.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-8 a 10^-9
Sintonizabilidad	10^-4
Rango de frecuencia	10Mhz típicamente
Costo	alto

 

MEMs

 

Los MEMs, o dispositivos micromecánicos, generalmente se fabrican de silicio utilizando procesos similares a los utilizados en la fabricación de circuitos integrados.

Actualmente, el oscilador de cristal más pequeño es el FCX-08 de River Electronics, con medidas de 1.2×1.0mm. Aunque el cristal en su interior sea más pequeño, para mantener buenas especificaciones a lo largo del tiempo, los cristales requieren protección contra la contaminación ambiental y el aire a través de un empaquetado sellado, ya sea por soldadura (para los modelos "grandes y baratos") o por soldadura con haces de electrones (más pequeños pero más caros).

Los osciladores MEMs pueden ser mucho más pequeños que los osciladores de cristal. Las últimas generaciones de iPhones utilizan osciladores MEMs fabricados por SiTime, que miden solo 0.42x0.42mm y están disponibles en paquetes a nivel de oblea.

Los MEMs a menudo tienen un consumo de energía más bajo que los osciladores de cristal también.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-5
Sintonizabilidad	10^-4
Rango de frecuencia	Decenas de Khz a decenas de Mhz
Costo	alto

 

SAW

 

Los osciladores de onda acústica superficial (SAW, por sus siglas en inglés) funcionan de manera algo similar a los osciladores de cristal. En lugar de una onda volumétrica que flexiona y mueve todo el cristal, los osciladores SAW utilizan ondas superficiales. Suelen tener un transductor de entrada y un transductor de salida, y se comportan de manera similar a líneas de retardo analógicas.

Los SAW generalmente se fabrican en cerámica y no en cuarzo, aunque se sabe que existen modelos de cuarzo.

Los SAW pueden alcanzar frecuencias de hasta cientos de MHz, mucho más altas que las decenas de megahercios de los cristales.

Los SAW pueden ser una fuente de reloj de bajo costo viable para frecuencias RF comunes como 433Mhz. Los valores menos comunes tienden a ser más caros, a menudo más que un cristal y un IC PLL.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-4
Sintonizabilidad	10^-4
Rango de frecuencia	Cientos de Mhz
Costo	medio

Resonadores de Cavidad

 

Los resonadores de cavidad se utilizan típicamente en frecuencias de microondas, y el ejemplo más común es el magnetron de cavidad presente en los microondas.

Su uso está restringido a aplicaciones de RF de alta potencia, por lo que no los discutiremos más a fondo.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-5
Sintonizabilidad	solo mecánica
Rango de frecuencia	Ghz hasta decenas de Ghz
Costo	alto

 

Resonadores Dieléctricos

 

Los resonadores dieléctricos son piezas de materiales dieléctricos, usualmente titanato de bario o una cerámica similar, y se utilizan para reemplazar los osciladores de cavidad. Puedes pegar resonadores dieléctricos a PCBs de RF de manera similar a los componentes de montaje superficial. Se utilizan, por ejemplo, en el popular módulo Doppler HB100.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-4
Sintonizabilidad	solo mecánica
Rango de frecuencia	Ghz hasta decenas de Ghz
Costo	medio

Relojes Atómicos

 

Si un oscilador de cristal OCXO no es suficiente en términos de estabilidad y precisión, los relojes atómicos pueden ser más pequeños y asequibles de lo que podrías imaginar.

Rubidio

Los relojes atómicos de rubidio son los relojes atómicos más asequibles disponibles. Una lámpara de descarga de rubidio (similar a una pequeña lámpara de mercurio, como las que iluminan la calle) reducirá su salida de luz en aproximadamente un 0.1% cuando su vapor de rubidio esté expuesto a un campo electromagnético a una frecuencia cercana a la de su transición hiperfina, 6.834,682,612 GHz.

La frecuencia del campo de microondas se sintetiza a partir del oscilador de cristal de 10Mhz presente en cada reloj de rubidio. Cuando la luz disminuye, el microcontrolador sabe que la frecuencia es precisamente de 6.834,682,612 GHz y puede corregir el oscilador de cristal en consecuencia.

Los relojes de rubidio se han vuelto más y más pequeños a lo largo de los años, y ahora están disponibles en paquetes similares a los convertidores DC-DC y con pesos de poco más de 30g.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-10
Sintonizabilidad	-
Rango de frecuencia	Solo 10Mhz
Costo	200-2000USD

 

Osciladores disciplinados por GPS/GNSS

 

El receptor GPS presente en sus teléfonos funciona comparando cuidadosamente el tiempo de llegada de señales de diferentes satélites y triangulando su propia posición.

Para lograr tal hazaña, los satélites deben tener relojes atómicos extremadamente precisos a bordo. Los satélites GPS suelen tener Relojes Atómicos de Rubidio, mientras que el sistema Galileo más moderno tiene una combinación de Relojes Atómicos de Rubidio y Máser de Hidrógeno redundantes y puede lograr una estabilidad aún mayor.

En ambos casos, las señales de los satélites son comparadas por equipos de expertos con redes de relojes atómicos en tierra y corregidas múltiples veces al día.

Por lo tanto, el sistema GPS tiene una increíble estabilidad a largo plazo. Desafortunadamente, debido a la interferencia atmosférica, la estabilidad a corto plazo no es tan buena.

TXCO y OCXO, a menudo con una reserva de rubidio, pueden sincronizarse con la señal GPS para lograr una combinación de estabilidad a corto y largo plazo, a un costo razonablemente bajo.

Además, el GPS te proporcionará la fecha y la hora, no solo la señal de reloj para mantener el tiempo, funcionando así como un reloj y un RTC (Reloj en Tiempo Real).

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-13 (a largo plazo)
Ajustabilidad	-
Rango de frecuencia	Solo 10Mhz
Costo	50-2000USD

Cesio, Maser de Hidrógeno y Otros Relojes Atómicos Caros

 

Un Maser de Hidrógeno probablemente te costará más de cien mil dólares, pero los Relojes Atómicos de Cesio se han abaratado y ahora se encuentran rutinariamente en muchos centros de datos de tamaño razonable. Muchos centros de datos no pueden usar osciladores disciplinados por GPS, ya que son sensibles al bloqueo de señal y podrían dejar de operar si EE.UU. declarara la guerra.

El Maser de Hidrógeno es el único oscilador "real y directo" entre todos los relojes atómicos disponibles comercialmente, y como tal son extremadamente confiables a corto plazo también, mientras que el Cesio y el Hidrógeno aún necesitan tener algún tipo de oscilador secundario dentro sincronizado con la referencia de tiempo primaria.

Parámetro	Valor
Estabilidad (cuanto menor, mejor)	10^-14 para H Maser
Sintonizabilidad	-
Rango de frecuencia	Solo 10Mhz
Costo	5000-500000USD

Conclusiones

 

Hemos discutido todas las fuentes de reloj disponibles en el mercado. Esperamos que este artículo te haya dejado un mejor entendimiento de los pros y contras de cada solución.

Las fuentes de reloj son el tipo raro de componentes cuya elección puede tener implicaciones profundas en la estabilidad y rendimiento de tu sistema, especialmente cuando estás integrando múltiples subcircuitos a partir de una única señal de reloj, o comunicándote con recursos externos. Por ejemplo, cualquier dispositivo moderno que se comunique a través de protocolos encriptados como TLS, u otro esquema de encriptación de clave privada/pública, debe tener una cronometría precisa. Si la pierdes, tu dispositivo no podrá comunicarse con los servidores nunca más.

De manera similar, los relojes RC imprecisos en diseños analógicos digitales pueden alterar el rendimiento de los ADCs y DACs conectados, en particular los ADCs SAR (Successive Approximation Register) y los ADCs y DACs Delta-sigma.

Además, las fuentes de reloj a menudo pueden ser dispositivos caprichosos. Usar el capacitor incorrecto para compensar un cristal de cuarzo, o simplemente elegir uno con un coeficiente de temperatura alto, y tu dispositivo oscilará entre roto y poco fiable.

Seleccionar y rastrear los componentes con precisión, asegurando que solo el oscilador apropiado y el capacitor adecuado estén ajustados a tus placas es de suma importancia. Para lograr esto, necesitas hacer dos cosas.

• Asegurar una adecuada revisión y gestión de lanzamiento de tus proyectos.
• Asegurar que cada componente esté adecuadamente identificado en el BOM.

Concord Pro®, en particular cuando se aloja en Altium 365® con acceso completo a los datos de Octopart, se encarga de ambos.

En este ejemplo, busqué uno de mis cristales favoritos, el ABM3B-16.000MHZ-B2-T de Abracom en el panel de Búsqueda de Partes del Fabricante (esquina inferior derecha en Altium Designer®). Como habrás observado, el componente ya incluye huella, símbolo, hoja de datos, descripciones completas, y el fabricante y número de parte del fabricante. Con tres clics (clic derecho, adquirir, OK) el componente puede ser importado a tu servidor Concord Pro y unirse a sus hermanos y hermanas en tu biblioteca.

El componente colocado en tu esquemático ahora será identificado por un único par Fabricante/Número de Parte del Fabricante. Si deseas agregar más partes alternativas, esto se puede hacer a través de la sección de Opciones de Parte mientras editas el componente.

Tu proyecto también necesitará ser gestionado para asegurar una trazabilidad completa como se discutió en un artículo anterior. En este ejemplo, migrar el proyecto del Controlador de Ventilador de Mark Harris a la nube solo toma un par de clics.

Las herramientas de diseño en Altium Designer® contienen todo lo que necesitas para mantenerte al día con la nueva tecnología. Habla con nosotros hoy y descubre cómo podemos mejorar tu próximo Diseño de PCB.